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EFB-Forschungsbericht Nr. 100

Verschleiß- und Anlegierungsverhalten mechanischer Fügewerkzeuge beim Durchsetzfügen von Aluminiumwerkstoffen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Voelkner, Dipl.-Ing. Sven Bräunling, Institut für Produktionstechnik, Professur für Urform- und Umformtechnik, der Technischen Universität Dresden

160 Seiten (Sw 74 Abb., 1 Tab., 15 Diag.)

ISBN: 978-3-86776-233-5

Preis (Digital) EUR 69,00

Preis (Print) EUR 78,10

Schlagworte: Lamellen, Diffusion, Qualität, Fertigungseinflüss, Hubzahl, Verschleiß

Zusammenfassung

Die Forderung nach Leichtbau in allen Bereichen Fertigungstechnik begründet durch die Notwendigkeit zu Ressourcenschonung und Energieeinsparung hat die Anwendung des Werkstoffes Aluminium stark gefördert. Der Widerstandspunktschweiß ist bei der Verarbeitung von Aluminiumwerkstoffen nur mit hohem fertigungstechnischem Aufwand bei eingeschränkter Verbindungsqualität und Prozeßsicherheit realisierbar. Die Verfahren des umformtechnischen Fügens stellen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Anwenderfreundlichkeit eine praktikable Alternative bzw. Ergänzung dar.

Allerdings bereitet das Umformen von Aluminium mit herkömmlichen Werkzeugen aufgrund eines im Vergleich zur Stahlumformung sehr begrenzten Erfahrungsschatzes noch erhebliche Schwierigkeiten. Kaltpreßschweißungen als Folge von Adhäsionsvorgängen führen zur Erhöhung der Reibkraftanteile, Senkung der Oberflächenqualität und in vielen Fällen zu verstärktem Werkzeugverschleiß.

Beim Durchsetzfügen finden Massivumformvorgänge mit hoher Werkzeugbelastung statt. Der Effekt des Kaltpreßschweißens ist hierbei besonders ausgeprägt und führt zu einer starken Erhöhung der Stempelrückzugskräfte und zur partiellen Schädigung des Fügeelementes. Es kann zu vorzeitigem Ausfall der Werkzeuge infolge erhöhter Belastung kommen.

Die vorliegende Forschungsarbeit beschäftigte sich deshalb mit der Untersuchung der beim Fügen (Umformen) von Aluminiumwerkstoffen auftretenden Reibungsprobleme. Ausgangspunkt der Untersuchungen ist eine Analyse von Ursachen bzw. Wirkmechanismen, die zum Verschleiß des Werkzeuges und zum Versagen des Verfahrens führen. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, Kaltpreßschweißeffekte als Ursache zu beseitigen bzw. zu verringern.

ln einem umfangreichen Versuchsprogramm wurden den Stand der Technik darstellende sowie in der Entwicklung befindliche Werkzeugbeschichtungen gegenübergestellt und auf ihre Tauglichkeit bzw. Eignung zur Verminderung des Kaltpreßschweißeffektes vergleichend untersucht. Die Arbeit beinhaltet dabei auch die Beschreibung geeigneter Beschichtungstechnologien zum Aufbringen der Schichten.

Als Alternativen zu Werkzeugbeschichtungen wurde die Beschichtung des zu fügenden Blechwerkstoffes mit einem Trockenschmiermittel und der Einsatz einer Minimalmengenschmiereinrichtung zum Aufbringen flüssiger, stark verflüchtigender Schmierstoffe untersucht.
Die erreichbare Verbindungsqualität wurde hinsichtlich Fügeelementausbildung und übertragbarer Haltekräfte untersucht.

Folgende Kernaussagen aller Versuchsergebnisse lassen sich formulieren:

Thesen

1. Von allen untersuchten Werkzeugbeschichtungen sind nur die DLC-Schichten zur Verminderung des Anlegierungs- bzw. Kaltpreßschweißeffektes geeignet.

2. Obwohl die DLC-Beschichtung die Anlagerung von Fügeteilwerkstoff an der Mantelfläche des Stempels nicht vollständig unterdrücken kann, wird eine signifikante Verringerung der prozeßkritischen Rückzugskräfte erreicht. Mit einem vergleichsweise stabilen Werteniveau von ca. 1 kN wurden Hubzahlen bis 20.000 erreicht, wobei das DLC- beschichtete Werkzeug im Vergleich zum blanken Stahlwerkzeug erheblich weniger geschädigt wurde.

3. Damit stellen DLC-Beschichtungen einen wirtschaftlich praktikablen Lösungsansatz zur Verminderung der Anlegierungsprobleme beim einstufigen Durchsetzfügen ohne Schneidanteil von Aluminiumblechen dar.

4. Einschränkend wirkt sich jedoch aus, daß sich die DLC-Schichten in ihrer Qualität stark unterscheiden und offensichtlich noch nicht in definierter Qualität erzeugt werden können. Das Verschleißverhalten der DLC-Beschichtung ist noch zu verbessern.

5. Aus fertigungstechnischer Sicht kommt der Druckberührdauer als Einflußgröße eine wichtige Rolle zu. Vergleichende Untersuchungen zum Einfluß der Antriebseinheiten zeigen bei identischen Fügebedingungen für hydraulische Fügeeinrichtungen sowohl ein höheres Niveau der Rückzugskräfte als auch ein frühzeitigeres Anlagern von Fügeteilwerkstoff am DLC-beschichteten Stempel. Ein günstigeres Bild zeigt sich bei der Verwendung von Exzenterpressen als Antriebseinheit. Als Ursache kann die spezifische Kinematik (kürzere Verweildauer im Umkehrpunkt) der Exzenterpresse angenommen werden.

6. Beim Einsatz von DLC-Schichten müssen durch die unterschiedliche Ausbildung des Fügeelementes unter Umständen der Fügepunkt, die Prozeßparameter und die Werkzeuge neu ausgelegt werden. Bei Beibehaltung der ursprünglichen Stempelgeometrie und Einsatz von DLC-beschichteten Stempeln ist eine Abnahme der quasistatischen Verbindungsfestigkeit auf ca. 80 % zu berücksichtigen.

7. Durch eine Oberflächenfeinbearbeitung des blanken Stahlstempels läßt sich das Anlegierungsverhalten nicht verringern, gleichwohl jedoch die Schichthaftung erhöhen und damit eine bessere Applikation von Oberflächenschichten gewährleisten.

8. Zur Lösung der Anlegierungsproblematik wurden darüber hinaus Untersuchungen zum Einsatz von:

  • Minimalmengenschmierung
  • Beschichtung des Fügeteilwerkstoffes mit einem Festschmierstoff

durchgeführt. Bei entsprechender Auslegung der Parameter bzw. bei Wahl geeigneter Schmierstoffsysteme können die Aluminiumbleche anlegierungsfrei gefügt werden. Wichtig dabei ist vor allem die Trennwirkung des zum Einsatz kommenden Schmiermittels. Die Ausbildung des Fügeelementes ist durch die Änderung der Reibverhältnisse durch Einbringen von Zwischenschichten ebenfalls zu überprüfen. Unter Umständen müssen wie bei der Anwendung von DLC-Beschichtungen Fügepunkt, Prozeß und Werkzeuge neu ausgelegt werden.

9. Die Anwendung von Minimalmengenschmiereinrichtungen stellt die zurzeit am meisten praktikable und prozeßsicherste Variante zur Vermeidung von Kaltpreßschweißungen dar. Durch feinste Düsen läßt sich Schmier- bzw. Trennmittel in geringsten Mengen punktgenau aufsprühen. Erste erfolgreiche Anwendungen in der industriellen Serienproduktion belegen diese Ergebnisse.

Das Forschungsvorhaben „Verschleiß- und Anlegierungsverhalten mechanischer Fügewerkzeuge beim Durchsetzfügen von Aluminiumwerkstoffen“ wurde unter der Fördernummer AiF 10094B von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 100 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

0 Abkürzungen und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Punktförmiges Fügen von Feinblechen
2.1.1 Widerstandspunktschweißen
2.1.2 Durchsetzfügen
2.1.3 Mittelbare Verbindungen - Stanzniettechniken
2.1.4 Prozeßsicherheit
2.1.5 Verbindungsfestigkeit
2.1.6 Einsatzcharakteristik
3 Problemstellung und Ziel der Arbeit
3.1 Problemdarstellung
3.2 Zielstellung der Untersuchungen
4 Problemanalyse
4.1 Grundlegendes zur Tribologie
4.1.1 Einführung
4.1.2 Aufbau technischer Oberflächen
4.1.3 Arten technischer Reibung
4.2 Grundlegende Verschleißmechanismen:
4.2.1 Abrasion
4.2.2 Adhäsion
4.2.3 Diffusion
4.3 Betrachtung der Vorgänge beim Durchsetzfügen
5 Möglichkeiten der Beschichtungstechnologie
5.1 Übersicht über Oberflächentechnologien
5.2 Anforderungen
5.3 Verfahren der Dampfphasenbeschichtung
5.3.1 CVD-Verfahren
5.3.2 PVD-Verfahren
5.4 Weitere ausgewählte Beschichtungstechnologien
5.4.1 Thermisches Spritzen
5.4.2 Ionenimplantation
6 Vergleichende Untersuchungen
6.1 Versuchsdurchführung
6.1.1 Werkstoffauswahl
6.1.2 Probenformen
6.1.3 Füge- und Maßeinrichtungen
6.2 Untersuchungen zum Werkzeugwerkstoff
6.3 Untersuchungen zur Oberflächenrauheit
6.4 Untersuchungen zu Werkzeugbeschichtungen
6.4.1 Vorgehensweise
6.4.2 Auswahluntersuchungen zu Werkzeugbeschichtungen
6.4.3 Vertiefende Untersuchungen an geeigneten Schichten
6.4.4 Standmengenversuche mit geeignetster Beschichtung
6.5 Alternative Lösungsansätze
6.5.1 Fügen von Aluminiumblechen mit Festschmierstoffbeschichtung
6.5.2 Einsatz der Einrichtung zur Minimalmengenschmierung
7 Industrielle Anwendung des Durchsetzfügens mit Minimalmengenschmierung
7.1 Praxisbeispiel zum Durchsetzfügen von Karosserieteilen
7.2 Allgemeine Randbedingungen für die Prozeßintegration
8 Zusammenfassung
9 Literatur.